无线局域网基本原理及技术

Page1无线局域网基本原理及技术Page2内容1.无线局域网的概念2.无线局域网的标准3.无线局域网的技术4.无线局域网的应用Page3传统有线网络数据传输的介质：双绞线，同轴电缆，光纤，或是别的有线介质。无线网络数据传输的介质：红外线，无线电微波，或是其它无线介质。信号在空气中传播，可以被任何人接收。1.无线网络的概念Page4无线数据网分类无线数据网的种类无线个人网（WPAN）、无线局域网（WLAN）、无线网桥、无线城域网（WMAN）和无线广域网（WWAN）。*无线个人网主要用于个人用户工作空间，典型距离覆盖几米，可以与计算机同步传输文件，访问本地外围设备，如打印机等。目前主要技术包括蓝牙（Bluetooth）和红外（IrDA）。*无线局域网主要用于宽带家庭、大楼内部以及园区内部，典型距离覆盖几十米至上百米。目前主要技术为802.11系列。*无线网桥主要用于大楼之间的联网通讯，典型距离几公里。*无线城域网和广域网覆盖城域和广域环境，主要用于Internet/email访问，但提供的带宽比无线局域网技术要低很多。目前典型的技术是GRPS和CDMA。Page5什么是ISM该频段是依据全球性国际组织美国联邦通讯委员会(FCC)所定义出来，适用于全球各地来使用，无需授权使用。ISM工业（Industrial）、科学（Scientific）与医疗（Medical）ISM频段1234681020304060100GHz123欧美日Page6IEEE802.11的无线局域网标准802.11a802.11b802.11g标准确立日期1999．91999．9仍在开发工作频段5.150-5.350GHz5.470-5.850GHz2.400-2.483GHz2.400-2.483GHz频宽580MHz83.5MHz83.5MHz互不重迭频道数量13（U.S）19（Europe）33数据速率6，9，12，18，24，36，48，54Mbps1，2，5.5，11Mbps6，9，12，18，24，36，48，54MbpsUDP数据吞量30.9Mbps7.1Mbps16.4MbpsPage7无线局域网模型IEEE802LAN标准系列PHYMACOSI层2OSI层1IEEE802.3Ethernet以太网IEEE802.4TokenBus令牌总线IEEE802.5TokenRing令牌环IEEE802.15WPAN蓝牙IEEE802.16BWA宽带无线IEEE802.2逻辑链路控制(LLC)IEEE802.11WLAN无线局域网定义了介质访问控制(MAC)和物理层的操作，包括MAC子层、MAC服务和协议以及三个物理层Page8infrastructure网络ad-hoc网络APAPAP有线网络AP:AccessPoint无线局域网基本构架Page9IBSSIBSS(IndependentBasicServiceSet)由数个无线工作站所级组成做点对多点运用的区域网络。Page10BSSBSS(BasicServiceSet)同一台AP及数台无线工作站所组成的局域网Page11ESSESS(ExtendedServiceSet)一个或多个以上的BSS即可被定义成一个ExtendedServiceSet(ESS)，用户可在ESS上漫游及存取BSS系统中的任何资料，其中AccessPoints必须设定相同的ESSID才能允许漫游。Page12加入网络•在一个基础结构网络中，如果一个新的站点想要加入该BSS，则需要获取该BSS的ID、TSF等参数•两种获取参数的方法被动扫描：站点对每一个信道进行监听，寻找其希望加入的BSS的AP发出的信标帧主动扫描：站点发送包含有该站希望加入的SSID信息的探询帧•发现了希望加入的BSS的AP后，进行认证和其他连接工作Page13802.11物理层1.802.11最初定义的三个物理层包括了两个扩散频谱技术和一个红外传播规范，无线传输的频道定义在2.4GHz的ISM波段内，这个频段，在各个国际无线管理机构中，例如美国的USA，欧洲的ETSI和日本的MKK都是非注册使用频段。2.802.11无线标准定义的传输速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS(frequencyhoppingspreadspectrum)和DSSS(directsequencespreadspectrum)技术，需要指出的是，FHSS和DHSS技术在运行机制上是完全不同的，所以采用这两种技术的设备没有互操作性。3.802.11b在无线局域网协议中最大的贡献就在于它在802.11协议的物理层增加了两个新的速度：5.5Mbps和11Mbps。为了实现这个目标，DSSS被选作该标准的唯一的物理层传输技术，这个决定使得802.11b可以和1Mbps和2Mbps的802.11DSSS系统互操作。4.802.11b采用了动态速率调节技术，来允许用户在不同的环境下自动使用不同的连接速度来补充环境的不利影响。在理想状态下，用户以11M的全速运行，然而，当用户移出理想的11M速率传送的位置或者距离时，或者潜在地受到了干扰的话，这把速度自动按序降低为5.5Mbps、2Mbps、1Mbps。同样，当用户回到理想环境的话，连接速度也会以反向增加直至11Mbps。速率调节机制是在物理层自动实现而不会对用户和其它上层协议产生任何影响。Page14802.11物理层示意图物理层红外技术IRPHY跳频展频FHSSPHY直序展频DSSSPHY高速DSHR/DS正交频分多路技术OFDMFor802.11aFor802.11bPHY层MAC层Page15调制技术IEEE802.11:DBPSK、DQPSK、FSKIEEE802.11b:DBPSK、DQPSK、CCKIEEE802.11a:QAM/OFDMIEEE802.11g:DBPSK、DQPSK、QAM/OFDM、PBCC、CCKPage16什么是展频扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据扩频技术主要又分为频率跳频技术（FHSS）及直接序列扩频技术（DSSS）两种方式。而此两种技术起源于第二次世界大战中军队所使用的通讯技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性及保密性。Page17跳频技术FHSS跳频技术是依靠快速地转换传输的频率来实现的，每一个时间段内使用的频率和前后时间段的都不一样，所以发送者和接收者必须保持一致的跳变频率，这样才能保证接受的信号正确。跳频技术可以避开许多干扰的出现，包括某些工作在特定频率下的信号，这样采用跳频后的802.11无线信号就只会丢失这个频率下的信息，损失不大；如果想分享带宽，也可以采用不同的调频次序来实现。弱点：速度慢，只能达到1Mbps。TimeslotFrequencyslot012345678Signal1{2,7,4,5}Work1{6………}Signal2{4,3,1,7}Page18直接序列扩频技术DSSS直扩技术是把使用11位的chipping－Barker序列来将数据编码并发送的技术。发送端通过spreader把chips（就是一串的二进制码）添加入要传输的bit流中，称为编码；然后在接受端用同样的chips进行解码，就可以得到原始数据了。802.11协议中是使用Barker序列号来作为这个chips的，规定为10110111000，在编码过程，如果要传送的数据是0的话，数列不变；如果传送的数据是1的话，数列就相反。在相同的吞吐量下，直扩技术需要比跳频技术更多的能量；但以消耗能量为代价，它也能达到比跳频技术更高的吞吐量，802.11b能达到5.5Mbps和11Mbps就就是采用HR/DSSS技术。ScrambleddataBarkersequence0111011100010110110010011101110000100100110101TransmitteddataPage19802.11MAC层1.802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性。802.3协议冲突的检测采用CSMA/CD方式，而在802.11无线局域网协议中，采用了新的协议CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)2.另一个的无线MAC层问题是“隐藏终端”问题。为了解决这个问题，802.11在MAC层上引入了一个新的Send/CleartoSend(RTS/CTS)选项，间接解决了“hiddennode”问题。由于RTS/CTS需要占用网络资源而增加了额外的网络负担，一般只是在那些大数据报上采用(重传大数据报会耗费较大)。3.802.11MAC子层提供了另两个强壮的功能，CRC校验和包分片。CRC校验是指在802.11协议中，每一个在无线网络中传输的数据报都被附加上了校验位，这和Ethernet中通过上层TCP/IP协议来对数据进行校验有所不同。包分片的功能允许大的数据报在传送的时候被分成较小的部分分批传送。这项技术大大减少了许多情况下数据报被重传的概率，从而提高了无线网络的整体性能。4.另外几个部分：a.802.11e-------提高和管理网络的QoS的能力；b.802.11f-------采用IAPP协议，可以在不同的厂商的无线局域网内实现访问互操作，保证网络内访问点之间信息的互换。c.802.11i-------增强WLAN的安全和鉴别机制。Page20无线介质访问•DCF：分布式访问控制方式，类似于IEEE802.3以太网的线路争用协议•PCF：中心网络控制方式，一个无竞争访问协议，适用于访问节点安装有点控制器的网络•DCF和PCF能够在同一个基本服务组（BSS）中提供并行的可选的竞争和无竞争访问期Page21IEEE802.11帧间隔Page22IEEE802.11帧间隔为了尽量避免冲突，IEEE802.11标准规定了不同的IFS（InterFrameSpace，帧间间隔），分别是SIFS（ShortInterFrameSpace，短帧间隔）、PIFS（PCFInterFrameSpace，PCF帧间隔）和DIFS（DCFInterFrameSpace，DCF帧间隔）。各种IFS的长短各不相同，它们之间的关系满足：DIFSPIFSSIFS。各种IFS的作用也不相同。SIFS是IEEE802.11中规定的最小的IFS，用于满足所有需要立即响应的服务，如发送ACK帧、CTS（CleartoSend）帧以及主机对PCF机制中的轮询作出的应答帧。PIFS用于PCF机制中，无线接入点AP在媒体空闲达到PIFS时间以后，获得媒体的控制权，宣布CFP（ContentionFreePeriod，无竞争期间）的开始。在无竞争期间，AP监听到媒体空闲时间达到PIFS时间以后，可以继续发送下一帧。DIFS用于DCF机制中，是发送数据帧和管理帧时使用的时间间隔。Page23CSMA/CA协议以DCF中的数据帧发送为例，CSMA/CA协议的算法过程如下：1.发送主机监听媒体，如果媒体空闲达到DIFS时间，主机立即发出数据帧。2.如果媒体忙，则等待媒体空闲时间达到DIFS以后，进入避退过程。3.主机根据避退算法选择一个避退时间，并设置避退时间计数器。媒体空闲时避退时间计数器做减1计数，媒体忙时则停止计数。4.在避退时间计数器减到零后，主机立即发出数据帧。5.发出数据帧后，如果在规定的时间内没有收到ACK，表明数据帧发送失败，进入重传退避过程，回到2）。6.如果在规定的时间内收到ACK，表明数据帧发送成功。将退避窗口恢复为默认值。Page24在步骤3中提到的避退算法由如下公式决定：其中，CW是避退窗口大小，random()是在(0,1